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基于硅基微热管的毛细驱动与相变传热研究

康健  
【摘要】:本文提出了一种新型动脉管加强型微热管阵列,该微热管阵列可以有效抑制干烧现象的发生,并扩大微热管的工作范围。在普通微热管之间加入了尺寸较小的动脉管,可以加强工作液体从冷端到热端的回流能力。由于这些动脉管具有比普通微热管更小的截面尺寸,而管道上的尺寸差会导致在两种管道内工作液体的压力差,这种压力差就会引导动脉管内的工作液体向蒸发端的回流,回流液体的增多保证了微热管在热流量较大的的情况下仍然可以正常运行。本文利用一维水力学模型和热传递模型对动脉加强型微热管的工作原理进行了验证,并对其尺寸进行了优化设计。为了验证动脉管加强型微热管的性能,利用光刻、湿法蚀刻和阳极键合工艺加工出了具有相近尺寸的传统微热管阵列和动脉管加强型微热管阵列,并进行了对比实验,同时还提出了一种容积分割式硅基微热管注液与密封方法。为了测试样品的性能,本文设计了试验台来模拟微热管不同的工作状态,并通过高速摄像和温度测量对微热管的工作性能进行测试,并通过高速摄像得到微热管在各种工作临界条件下内部气液分部情况的直观信息。温度测试结果显示,动脉加强型微热管可以有效地扩大其工作范围(为原有微热管设计的两倍),实验数据与理论计算结果较好地吻合。 课题的主要研究工作如下: (1)毛细驱动和蒸汽压力分布模型分析研究。针对动脉加强型微热管的特殊设计,建立了基于Young-Laplace等式的一维毛细驱动模型,并改进了基于Clausius-Clapeyron等式的微热管蒸汽压力分布模型。利用模型数值计算结果,证明了动脉加强型微热管设计的有效性。 (2)动脉加强型微热管优化设计研究。针对动脉管可以提供额外液体回流的特点,利用一维的微热管毛细驱动模型分析了动脉管截面尺寸对液体回流量的影响,根据理论计算结果得到了动脉管和微热管截面尺寸的最优尺寸比,使得动脉管可以传输更多的工作液体。由于微热管对内部工作液体的量需要非常精确的控制,因此本文针对动脉加强型微热管的最优注液比进行了分析,得到了动脉加强型微热管的最优注液比。 (3)硅基微热管加工工艺研究。为了实现微热管与芯片的整合,研究了微热管以硅作为基底的MEMS加工工艺,包括硅湿法蚀刻技术、阳极键合技术,硅基微热管阵列注液和密封技术,得到了各工艺过程中详细的工艺参数。 (4)微热管工作状态观测实验和温度测量实验的研究。利用真空实验台对微热管内部气液两相流的流动形态进行了高速摄像,对动脉加强型微热管轴向温度分布进行了测量。并与普通微热管阵列的测量结果进行了对比。


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